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• Arianys Osorio

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ENFOQUE TÉCNICO

Parte 2/2

CÁLCULO DE INSTALACIONES HIDROSANITARIAS Vasos de expansión y acumuladores

PRODUCCIÓN DE AGUA CALIENTE SANITARIA Normalmente, para producir agua caliente sanitaria se utilizan dos sistemas: instantáneo o de acumulación. El sistema instantáneo se caracteriza por la producción directa, es decir, inmediata. La aplicación típica es en sistemas de dimensiones reducidas donde el generador (que suele ser una pequeña caldera mural o un calentador) debe satisfacer un consumo limitado de agua caliente sanitaria. El sistema de acumulación, por el contrario, puede responder a las demandas de agua caliente mediante producción directa o con la ayuda de una reserva de agua precalentada. Es idóneo para instalaciones de tamaño mediano o grande con varios puntos de extracción. El depósito de acumulación, normalmente llamado acumulador, debe dimensionarse en función del consumo de punta de agua caliente (relacionado con el número de servicios o aparatos que funcionan durante el periodo de mayor uso), del periodo de precalentamiento del agua acumulada y de las temperaturas del agua fría y caliente. Respecto al calentador instantáneo, el acumulador permite utilizar generadores mucho menos potentes pero necesita más tiempo para calentar el agua contenida. El envío de agua caliente a la instalación es más continuo y regular, lo que se traduce en mayor rendimiento térmico. La producción de agua caliente con acumulador se puede integrar con fuentes de energías renovables, como paneles solares, bombas de calor o generadores de combustible sólido.

ACUMULADORES DE AGUA CALIENTE SANITARIA DIMENSIONAMIENTO Para dimensionar el acumulador se consideran los siguientes factores: • Periodo de punta Tiempo durante el cual hay más consumo de agua caliente. • Consumo de agua caliente en el periodo de punta Volumen total de agua caliente consumida durante el periodo de punta (ver la tabla 1 en la página siguiente). • Periodo de precalentamiento Tiempo empleado para llevar el agua fría contenida en el acumulador a la temperatura de acumulación indicada. • Temperatura del agua fría Depende de muchos factores, como la temperatura del suelo, la temperatura exterior y la zona de procedencia del agua. A los fines prácticos, se puede considerar: 10÷12 °C en Italia norte 12÷15 °C en Italia centro 15÷18 °C en Italia sur • Temperatura de utilización del agua caliente Para las aplicaciones más comunes, a los fines del dimensionamiento del acumulador, se puede considerar de 40 °C. Para otros usos se la debe establecer de acuerdo con las condiciones específicas de uso del agua. • Temperatura de acumulación del agua caliente Debe establecerse en función de las necesidades de cada caso, que a menudo son contrastantes, con un valor que permita: • evitar (o al menos limitar) la corrosión y los sedimentos calcáreos, fenómenos que pueden aumentar notablemente cuando el agua está a más de 60 °C (o 65 °C); • limitar el tamaño de los acumuladores, considerando que una temperatura de acumulación baja obliga a utilizar acumuladores mucho más voluminosos; • impedir el desarrollo de bacterias, las cuales suelen soportar durante mucho tiempo temperaturas de hasta 50 °C pero mueren rápidamente a más de 55 °C. En consideración de estos aspectos, para las aplicaciones normales se puede considerar apropiado acumular el agua a 60 °C. Cálculo del calor horario El calor horario necesario, es decir, la potencia térmica que se ha de aportar al sistema, se puede estimar en función del calor total que se debe generar en el intervalo que comprende el periodo de precalentamiento y el periodo de punta:

Qh =

C (Tu - Tf) tpr + tpi

C (Ttu - Tf) Cálculo del volumen del acumulador Q Q = El volumen teórico del acumulador se puede determinar h VA = t h + prta partir de las magnitudes de referencia. La fórmula Taprconsiderando - Tf pi siguiente permite calcular el volumen del acumulador la cantidad de calor que se debe acumular en el periodo de precalentamiento: QVhA (etprA - e0) Ta - Tf Pa 1Pt = Consumo de agua caliente en el periodo de punta V (e - e0) A A = Calor horario que debe cederse al agua VV = = Duración del periodo de punta P Pt = PVS 1- 0,5 - +a 1 = Duración del periodo de precalentamiento Pt = 0,9 PVS +P1t = Temperatura del agua fría VVVA =

C Qh tpu tpr Tf Tu = Temperatura de utilización del agua caliente Ta = Temperatura de acumulación del agua caliente Pt VA = Volumen del acumulador

= PVS - 0,5 + 1 Pt = 0,9 PVS + 1

[l] [kcal/h] si PVS [h] ≤ 5 bar [h] si PVS >[°C]5 bar [°C] [°C] si PVS ≤[l] 5 bar

si PVS > 5 bar

TABLA 1: DATOS PARA EL CÁLCULO DE LOS ACUMULADORES TIPO DE INSTALACIÓN Consumos en periodos de punta Edificios residenciales

260 l 340 l

temperatura utilización

por cada vivienda con 1 local servicios (1) por cada vivienda con 2 locales servicios (1)

40 °C

periodo periodo punta precal. 1,5 h

Oficinas y similares 40 l por servicio (WC+lavabo) 40 °C 1,5 h Hoteles y similares (4) 180 l por habitación con baño con bañera 40 °C (2) 130 l por habitación con baño con ducha Hospitales (4) 120 l por cama 40 °C 2 h Clínicas (4) 150 l por cama 40 °C 4 h Cuarteles, internados y similares (4) 80 l por cama 40 °C 2h Gimnasios y centros deportivos 150 l por ducha 40 °C 0,3 h 60 l por grifo Vestuarios de establecimientos 150 l por ducha 40 °C 0,3 h 60 l por grifo

2h

2h 2h

2 h 2 h 2 h 1,5 h

(3)

(1) Los consumos previstos deben multiplicarse por el coeficiente de simultaneidad (C), que depende del número de viviendas (n).

n



C 1 0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50

1÷5 6÷12 13÷20 21÷30 31÷45 46÷60 61÷80 81÷110 111÷150 151÷200 >200

(2) 1,5 h

 eriodo de punta que debe considerarse para hoteles y similares con consumo concentrado (por ejemplo los situados en zonas deportivas P invernales o frecuentados por contingentes turísticos). 2,5 h Periodo de punta que debe considerarse en hoteles y similares con consumo normal de agua (por ejemplo hoteles comerciales de ciudad). (3) El periodo de precalentamiento normalmente varía entre 1 y 7 horas, en relación con los intervalos entre los turnos de trabajo. (4) Se excluye el agua caliente para lavavajillas y lavadoras, que se ha de calcular en función de las características específicas (temperaturas y tiempos de trabajo) de las máquinas previstas.

DIMENSIONAMIENTO CON SOFTWARE Determinación del volumen de acumulación para un sistema que produce agua caliente en un edificio residencial compuesto por 40 viviendas con dos baños cada una. = 10 °C Temperatura del agua fría TFRÍA TUTILIZACIÓN = 40 °C Temperatura de utilización TACUMUL. = 60 °C Temperatura de acumulación tpu = 1,5 h Periodo de punta (según tabla 1 contenida en el software) tpr = 2 h Periodo de precalentamiento (según tabla 1 contenida en el software)

Introducción de los datos de diseño

Resultado del cálculo

VASO DE EXPANSIÓN PARA AGUA CALIENTE SANITARIA Los vasos de expansión tienen la función de compensar el aumento de volumen del agua cuando esta se calienta. Es sabido que, en general, si disponen de espacio suficiente, los líquidos varían su volumen en función de la temperatura y del coeficiente de expansión. Puesto que el agua de estos sistemas está en estado líquido, el volumen de expansión se puede calcular con la fórmula siguiente:

E = V0 (e - e0) donde: E = Volumen de expansión [l] V0 = Volumen a la temperatura inicial [l] e = Coeficiente de expansión del agua a la temperatura final e0 = Coeficiente de expansión del agua a la temperatura inicial

Coeficientes de expansión del agua respecto a T = 4 °C T

Las instalaciones hidrosanitarias se consideran sistemas abiertos. En realidad, el agua contenida en ellos se encuentra en circuitos cerrados de forma intermitente, solo cuando no hay una extracción en curso. Por este motivo, no es posible determinar exactamente el volumen de agua cuya expansión se debe calcular. Es suficiente que haya una sola extracción para que el incremento de presión causado por un aumento de la temperatura disminuya sensiblemente.

Qh =

e

T

e



0 °C

0,0001

5 °C

0,0000



10 °C

0,0003

15 °C

0,0009



20 °C

0,0018

25 °C

0,0030



30 °C

0,0043

35 °C

0,0058



40 °C

0,0078

45 °C

0,0098



50 °C

0,0121

55 °C

0,0145



60 °C

0,0170

65 °C

0,0198



70 °C

0,0227

75 °C

0,0258



80 °C

0,0290

85 °C

0,0324



90 °C

0,0359

95 °C

0,0396



100 °C

0,0434

C (Tu - Tf) tpr + tpi

DIMENSIONAMIENTO Con este método, para dimensionar los vasos se considera solo la expansión del agua que tiene lugar en el acumulador. La expansión que se verifica en las redes de distribución y de recirculación se omite. Esta simplificación tpr causada por la apertura de los grifos, evitando un permite considerar empíricamente la reducción de Q presión h V = A dimensionamiento excesivo respecto a las necesidades Ta -reales. T El volumen del vaso de expansión se calcula con la fórmulaf siguiente:

C (Tu - Tf) V (e - e ) VVtpr=+ tpi A A 0 Pa 1Pt donde: Qh tpr V = Volumen del vaso de expansión [l] VA = T - Tf V = Volumen del acumulador [l] Pt a= PVS - 0,5 + 1 si PVS ≤ 5 bar e = Coeficiente de expansión del agua a la temperatura de acumulación e = Coeficiente de expansión del agua a la temperatura del agua PV = 0,9 P )fría+de1 alimentación si PVS > 5 bar t A (eA - eVS 0 P = Presión absoluta de alimentación del correspondiente al tarado del reductor de presión o a la presión máxima de VVacumulador, = alimentación de la red sumada a la presión atmosféricaPde a 1 bar [bar] 1 - resultante P = Presión de trabajo absoluta máxima de la instalación, de sumar la presión de descarga de la válvula de seguridad (P ) Pt reducida en un 10 % (valor que previene la apertura) y la presión atmosférica de 1 bar [bar]: Qh =

v

A

A 0

a

t

VS

Pt = PVS - 0,5 + 1 Pt = 0,9 PVS + 1

si PVS ≤ 5 bar si PVS > 5 bar

DIMENSIONAMIENTO CON SOFTWARE

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Dimensionamiento de un vaso de expansión para una instalación hidrosanitaria con acumulador de 1000 l = 10 °C Temperatura del agua fría TFRÍA TACUMUL. = 80°C Temperatura de acumulación Pred = 3 bar Presión de alimentación del acumulador Pvs = 7 bar Presión de actuación de la válvula de seguridad